KR100959994B1 - 식물공장 led 조명장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 식물공장의 안정적인 운영을 위한 식물재배용 LED 조명장치의 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 식물공장은 좁은 공간 내에 수직 다단으로 식물을 재배하기 위하여 많은 LED조명을 사용하여야 하고 그에 따른 LED조명에서 발생되는 열을 직 병렬로 연결된 공기 순환장치를 통하여 배출시켜 겨울철에는 실내 보온으로 사용하고 여름철에는 외부로 배출 시켜 식물공장내의 적정온도를 유지할 수 있도록 하는 것이다. 또한 크기와 형태에 따라 제조 가능한 조립형 LED조명 장치이며 LED조명의 난반사를 도와 식물공장의 효율성을 높이는 LED조명의 제조 방법이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 식물공장내의 LED조명장치가 내부의 열처리를 원활히 하여 에너지 재활용과 효율을 상승시키는 이점이 있다.
[색인어]
식물공장, LED조명, 수경재배, LED 방열구조

Description

식물공장 LED 조명장치 및 이의 제조방법{LED lighting device for plant factory and manufacturing method thereof}

본 발명은 LED를 이용한 식물재배용 조명장치 및 이를 이용한 식물 재배방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 다수의 조명상자들과 재배선반을 배관을 통해 일체형으로 형성함으로써 구조를 간단하게 개선함과 동시에 LED 조명등로부터 발생한 열을 이용하여 새로운 에너지를 소모하여 처리하지 않고 에너지 재활용을 통하여 가장 이상적으로 활용하고 효과적인 LED조명 장치의 방열로 LED조명의 효율적이고 안정적인 식물공장을 제조 및 운영하는 LED 조명장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 식물공장의 안정적인 운영을 위한 식물재배용 LED 조명장치의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 식물공장을 제조 및 운영하기 위하여는 광합성 작용을 유도하는 조명장치, 영양분과 물을 공급하는 수경재배 장치, 식물성장 환경을 구성하는 공조장치, 각각의 장치를 자동으로 처리하는 제어장치 등이 필수적으로 필요하다. 이중 광합성을 유도하는 조명은 식물공장의 핵심장치로서 종래에는 형광조명, 백열조명, 고압나트륨조명등이 사용되어 왔고 근래에는 LED조명을 사용하고 있으나 수직 형 다단구조의 식물공장내의 식물의 광합성작용에 필요한 광량(PPFD)과 광질(Wavelength)을 충족시키려면 방열처리 장치를 반드시 구성하여야만 한다. 식물공장은 폐쇄형 방식이기 때문에 발생된 열은 대류의 흐름이 없는 식물공장 내에 온도를 상승시켜 LED조명의 방열처리 효과를 약화시켜 LED조명 효율을 약화 시킬 뿐 만 아니라 식물의 성장에도 영향을 주어 악순환을 반복하게 한다. 이러한형태의 열을 처리하기 위하여 냉각장치나 환풍장치를 가동하는 별도의 제어장치와 더 많은 소모성 에너지가 필요한 것이다. 또한 식물공장의 폐쇄형 구조는 LED조명의 안정성을 저하시켜 식물성장 저해와 조명의 수명을 크게 단축시키는 것이 종래에 사용되는 방식이다.

상술한 바와 같이 식물공장에 사용되는 종래의 조명들은 밀폐된 좁은 공간에서 취약한 열처리를 위하여 더 많은 에너지를 사용하는 방법으로 노력들이 진행되고 있다.

본 발명은 식물공장 내에서 사용되는 LED조명의 효과적인 방열처리 장치를 구성하여 안정적인 LED조명의 가동과 함께 에너지를 재활용하고 절감하는 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 식물공장 내에서 작동되는 LED조명 장치의 빛을 발산하고 열을 배출시키기 위한 LED, 연결회로, 전원공급장치(SMPS), 알루미늄 또는 방열플라스틱으로 구성되는 LED조명 부분의 제조와 발생된 열을 모아서 집합시키는 조명상자 겸 재배선반으로 구성되며 모아진 열은 식물공장에서 식물성장에 필요로 하는 온도(겨울철)보다 낮으면 식물공장 내부로 배출하여 온풍기를 보조하여 가동되고 식물공장 내부의 온도가 식물성장에 필요한 온도(여름철)보다 높으면 식물공장 외부로 배출하여 냉방기의 부하를 줄여주는 배관 장치와 소형 환풍 장치 및 제어기로 이루어진다. 상기 배관장치에는 각각의LED조명과 기타 제어 장치 등의 가동에 필요한 전기 배선을 배관의 내부를 따라 배선하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 식물공장을 운영함에 있어 상술한 바와 같이 에너지를 통하여 LED조명을 사용하고 발생된 열을 새로운 에너지를 소모하여 처리하지 않고 에너지 재활용을 통하여 가장 이상적으로 활용하고 효과적인 LED조명 장치의 방열로 안정적인 LED조명을 이용한 식물공장을 제조 및 운영할 수 있는 이점이 있다.

도 1 본 발명의 재배실 내부의 수직형 다단구조의 식물재배 형태
도 2 본 발명의 식물공장 재배실 내부의 LED조명장치 시스템 구조도
도 3 식물재배 LED조명장치 상자 전면도
도 4 식물재배 LED조명장치 측면 구조도
도 5 본 발명의 식물재배 LED조명장치를 이용한 온도변화
도 6 일반 식물재배 LED조명에 대한 온도변화
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 식물공장형 LED조명장치 상자
2 식물재배용 재배선반용 프로파일
3 재배중인 식물
4 LED조명장치 상자 후면(재배선반)
5 LED조명장치간의 배관구
6 LED조명의 방열구조 히트싱크
7 식물재배용 LED조명
8 배출구 배관
9 실내 배출구
10 실내공기 흡입구
11 실 내외 공기 배출용 제어장치
12 실 내외 공기 흡기용 제어장치
13 실외 배출구
14 실외 공기 흡입구
15 조명장치 흡기구
16 조명장치 배기구
17 식물재배 LED조명상자 전면
18 식물재배 LED조명상자 후면
19 식물재배 LED
20 식물재배 조명상자 알루미늄 프레임
21 식물재배실 내부

본 발명을 설명하기 위하여 첨부된 도 1에서 도 6을 참고로 하여 이하에서 설명한다.

도 1과 도 3에서 도시된 식물공장 식물재배실의 도면과 같이 여러 층으로 구성된 재배 선반의 구조(2)를 만들기 위하여 알루미늄 압출 프로파일(2)을 절단기로 재단하여 높이와 가로에 맞는 재배 선반을 구성하고 각 각의 선반에 맞는 LED조명장치 상자(1)를 제조하기 위하여 알루미늄 조명상자 프레임(20)을 45도로 절단하여 사각 상자를 구성한다. LED 조명장치 상자(1)의 후면에는 재배용 선반(4)으로 활용이 가능하도록 식물재배 LED조명(7)의 난반사를 도울 수 있는 반사형 알루미늄 패널이나 견고한 반사형 플라스틱 소재(18)를 사용하여 마감한다. 식물재배 LED조명(7)은 광도(PPFD)와 광질(Wavelength)을 만족 시키는 Hi-Power형 LED를 Metal-PCB에 실장하고 LED에서 발생된 열을 방출시켜는 주는 알루미늄 프로파일(6) 또는 방열 플라스틱(6)을 사용하여 LED가 장착된Metal-PCB(19)와 결합 한다. 여기서 알루미늄 방열구조나 방열플라스틱은 대류 방열을 원활하게 하기 위하여 제트기류를 발생 시킬 수 있는 구조로 구성하는 것이 가장 접합한 방법이다. 결합된 LED 조명은 방출된 열을 모아 줄 수 는 조명장치 상자(20) 전면에 부착한다. LED조명(7)을 상자에 부착 시에는 흔들림이나 간격이 없도록 조명장치 상자(20)의 측면에 끼우거나 나사 등을 이용하여 고정할 수 있다. 고정된 LED 조명을 구동 시킬 수 있는 전원공급장치(SMPS)를 조명박스 내부의 프레임 방면에 고정하고 제어장치와 온도 검출기 등을 장착하여 내부 배선을 마무리 한다. LED조명 장치 외의 전원 공급장치나 제어기 등의 배선은 공기의 흐름을 방해하지 않도록 조명상자 측면에 배치하고 배선은 흔들림이 없도록 고정한다. LED조명 장치 상자는 각 각 독립적으로 동작 되도록 구성하기 위하여 연동현 연결 구조를 갖도록 입력 전원과 출력 전원 부를 갖고 제어장치의 배선도 동일한 구조로 연결 하여야 한다. 전면의 LED조명 돌출부 외의 공간은 빛의 난반사를 도울 수 있고 습기에 강한 소재인 반사형 알루미늄 패널이나 반사형 플라스틱 소재(17)를 사용하여 전면부를 마감하여 LED조명 상자를 구성한다. 완성된 조명상자는 먼지나 공기, 습기가 스며들지 않도록 틈새를 실리콘으로 마감하고 도 3이나 도 4와 같이 흡입구(15)와 배출구(16)를 만들어 완성한다.

상기 다수의 LED조명 장치를 재배 선반의 각 각의 단에 끼워서 올려 놓은 다음 첨부된 도면 1 과 같이 배치한다. 각 각으로배치된 LED조명 상자(1)는 흡기구(15)와 배기구(16)를 연결하는 배관구(8)로 연결한다. 배관구(8)는 가볍고 견고한 PVC소재를 사용하는 것이 가장 접합하다. LED조명에서 배출된 열을 배출하기 위한 배관(8)은 흡기부분(12)과 배기 부분(11)으로 나누어 진다. 흡기 부분(12)은 재배실 외부(14)와 재배실 내부(10)의 공기를 제어장치가 선택하여 흡기할 수 있는 장치로 구성되고 배기부분(11)은 LED 조명장치(1)에서 방출된 열을 재배실 내부(9)나 재배실 외부(13)로 제어기(11)가 감지하여 선택 배출하도록 구성되는 것이다. 완전 폐쇄형 식물공장은 온도, 습도, 이산화탄소(Co2)의 미세한 영향에도 생산량에 영향을 줄 수 있기 때문에 완전 통제 및 세세한 제어가 필수적이다. 이를 충족 시키기 위하여 흡기부분(12)에서는 재배실 내의 온도와 실외의 온도를 감지하여 자동 선택 하여 흡기 할 수 있는 제어장치 마이크로 프로세스를 장착하여 구성한다. 첨부된 도 2에서 와 같이 실내 흡기구(10)와 실외 흡기구(14)가 흡기용 제어장치(12)에 연결되어 직 병렬로 연결된 배관을 통하여 LED 조명 장치 상자(1)로 연결된다. 이러한 배관(5) 연결 시에는 제어장치의 연결선과 조명장치의 입력 전원 등이 배관내(5)로 배치되어야 한다. LED조명장치의 입력전원은 일반전원 100～240V이기 때문에 식물공장 내부의 수경재배용 양액 또는 물, 습기로부터 누설되어 감전이 되지 않도록 보호해 줄 수 있고 복잡한 배선으로 인한 화재의 방지나 작업의 편리성을 증대 시켜는 역할을 한다.

흡기구(12)를 통해 공급되는 공기의 온도는 20도～24도 이거나 이보다 낮아야 한다. 일반적인 식물공장의 최적 온도는 20도 ～ 22도 정도로 유지 되기 때문에 실외의 온도가 재배실의 온도보다 더 낮으면 실외의 공기가 실외 공기 흡기구(14)를 통해 주입되고 실외의 온도가 재배실 내의 온도보다 높으면 재배실 내의 공기를 실내 공기 흡기구(10)을 통하여 흡입하고 LED조명 장치 상자(1)로 공급된다. 배관을 통해 흡기된 공기는 LED조명(7)에서 방출되어 조명상자 내에 모여 있는 열을 배기구의 배출용 제어장치(11)를 통해 배출 하게 된다. 상기에서 LED조명 상자의 흡기구(15)와 배기구(16)는 대각선 방향으로 구성되는 것이 가장 바람직하다. 이는 공기의 흐름이 LED조명상자 내부에서 전체적으로 고르게 일어나고 Z기류를 만들어 LED조명의 방열프레임의 열을 효과적으로 낮추는 역할을 하기 때문이다.

LED조명상자에서 배출된 열은 배출 배관을 통하여 배출용 제어장치(11)로 전달 된다. 여기에서 배출용 제어 장치(11)는 재배실 내의 온도를 실시간으로 감지하여 배출되는 온도가 실내의 요구 온도(20～22도)보다 높으면 실외 배출구(13)를 통하여 실외로 방출하고 배출되는 온도가 재배실 내의 온도보다 낮으면 실내 배출구(9)를 통하여 실내로 배출한다. 여기에서 식물공장의 온도가 배출되는 온도보다 높더라도 냉방기가 작동을 하고 있으면 실외로 보내지 않고 실내 배출구(9)를 통하여 실내로 방출하여 식물재배 적정온도를 유지하도록 구성하여 에너지를 재활용 하도록 구성한다. 상기의 장치를 구성하기 위하여 배출용 제어장치(11)에는 온도 감지 센서와 마이크로 프로세스를 장착하여 설정된 프로그램에 의해 자동으로 구동될 수 있도록 한다. 또한 LED조명의 온도 즉, 방열구조 히트싱크 프레임(6)의 온도가 적정 이하로 유지하고 있을 때에는 배출되는 배출량을 줄이고 방열구조 히트싱크 프레임이 적정 온도 이상일 때에는 공기의 배출량을 늘려 LED식물재배 조명(7)의 안전 운영을 구성한다.

상기에서 LED조명의 적정 온도는 LED Chip 또는 Epi Chip의 온도가 120도 이하가 유지 될 때에 가장 안정적인 광량을 방출하고 수명도 보장이 된다. 따라서 적절한방열구조의 조명을 구성하기 위해서는 LED에서 방출되는 열을 Metal-PCB기판으로 전달 시키고 Metal-PCB에 전달된 열은 방열구조 히트싱크 프레임을 통해 대류로 전달된다. 이때에 히트싱크 프레임의 온도는 60도를 넘지 않아야 하고 가장 적절하게는 30도 이하이어야 한다. 위와 같은 구조로 히트싱크 프레임의 온도가 30도 이하로 유지되면 가동되고 있는 LED의 Epi Chip온도는 120도 이하로 운영이 되어 LED 본연의 성능과 10만 시간 이상의 장 수명이 보장 되는 것이다.

도 5는 본 발명의 실시 예로 식물재배 LED조명의 히트싱크 프레임의 온도가 상시 30도 이하를 유지하고 있음을 보여주는 데이터이다. 도시된 바와 같이 LED식물재배조명의 히트싱크 프레임을 일반적인 온도에서 가동하는 했을 때에는 대류의 흐름이 없기 때문에 도 6과 같이 최고 60도를 넘기고 있으나 본 발명의 LED 조명장치를 통한 가동에서는 30도 이하의 안정적인 운영이 되는 것을 확인 할 수 있다.

Claims (6)

1. 식물을 재배하는 재배실 내의 LED 조명등에서 발생된 열을 효과적으로 처리하는 식물 재배용 LED 조명장치로서,
   상기 LED 조명등이 다수 개가 내장되어 있고, 상기 LED 조명등로부터 발생하는 열을 모아 주는 조명상자와,
   상기 조명상자는 다수 개가 배관을 통해 행과 열의 구조로 연결되어 있으며, 상기 배관의 흡입구와 배출구에는 재배실 내·외로부터의 공기를 자동으로 내부 또는 외부로 배출하도록 제어하는 제어장치가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 식물 재배용 LED 조명장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어장치는 상기 조명상자 및 재배실 내부에 각각 형성된 온도센서로부터 검출된 온도와 설정된 온도를 비교하여 상기 배출구의 배기량과 배기방향을 자동으로 조절하는 것을 특징으로 하는 식물 재배용 LED 조명장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어장치는 상기 조명상자 및 재배실 내부에 각각 형성된 온도센서로부터 검출된 온도와 설정된 온도를 비교하여 상기 흡입구의 공기 흡기를 위하여 상기 재배실 내부 또는 외부 공기를 자동으로 선택함을 특징으로 하는 식물 재배용 LED 조명장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 조명상자들과 제어장치의 전기 배선을 흡기와 배기를 구성하는 배관을 통하여 연결되는 구조를 갖는 식물 재배용 LED 조명장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 조명상자와 재배선반이 일체형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 식물 재배용 LED 조명장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 식물 재배용 LED 조명장치를 이용한 식물 재배용 LED 조명장치 제조방법.

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